Дифференциальный усилитель: принцип работы и история развития

Введение

Электрический компонент схемы, который усиливает разницу между двумя аналоговыми сигналами.

Дифференциальный усилитель – это тип электронного усилителя, который усиливает разность между двумя входными напряжениями, подавляя при этом любое напряжение, общее для обоих входов. Это аналоговая схема с двумя входами и одним выходом, в которой выходной сигнал в идеале пропорционален разнице между двумя входными напряжениями:

где – коэффициент усиления усилителя. Одноусилители обычно реализуются либо добавлением соответствующих резисторов обратной связи к стандартному операционному усилителю, либо использованием специализированной интегральной схемы с внутренними резисторами обратной связи. Он также является распространенным подкомпонентом в больших интегральных схемах, обрабатывающих аналоговые сигналы.

Исторический фон

Современные дифференциальные усилители обычно реализуются с помощью базовой двухтранзисторной схемы, называемой дифференциальной парой или парой с “длинным хвостом”. Изначально эта схема была реализована на вакуумных лампах. Принцип работы схемы одинаков для всех трехэлектродных устройств с усилением тока. Точки смещения схемы с резистором “длинного хвоста” в основном определяются законом Ома и в меньшей степени – характеристиками активных компонентов. Дифференциальная пара с “длинным хвостом” была разработана на основе более ранних знаний о схемах push-pull и измерительных мостах. Ранняя схема, очень похожая на дифференциальную пару с “длинным хвостом”, была опубликована британским нейрофизиологом Брайаном Мэтьюсом в 1934 году, и, вероятно, она предназначалась для реализации настоящей дифференциальной пары с “длинным хвостом”, но была опубликована с ошибкой в чертеже. Самая ранняя известная схема дифференциальной пары с “длинным хвостом” встречается в патенте, поданном Аланом Блюмлейном в 1936 году. К концу 1930-х годов эта топология была хорошо отработана и описана различными авторами, включая Фрэнка Оффнера (1937), Отто Шмитта (1937) и Яна Фридриха Тённеса (1938), и особенно широко использовалась для обнаружения и измерения физиологических импульсов. Дифференциальная пара с “длинным хвостом” успешно применялась в ранних британских вычислительных машинах, в частности, в модели Pilot ACE и ее потомках, в EDSAC, разработанной Морисом Уилксом, и, вероятно, в других машинах, созданных специалистами, работавшими с Блюмлейном или его коллегами. Дифференциальная пара с “длинным хвостом” обладает множеством преимуществ при использовании в качестве переключателя: она в значительной степени нечувствительна к изменениям параметров ламп (транзисторов) (что особенно важно, когда машины содержали 1000 ламп и более), обеспечивает высокое усиление, стабильность усиления, высокое входное сопротивление, среднее/низкое выходное сопротивление, хорошо ограничивает сигнал (при не слишком “длинном хвосте”), не инвертирует сигнал (в EDSAC не использовались инверторы!) и обеспечивает большой размах выходного напряжения. Одним из недостатков является то, что размах выходного напряжения (обычно ±10–20 В) накладывался на высокое напряжение постоянного тока (около 200 В), что требовало осторожности при согласовании сигналов, обычно в виде широкополосного DC-соединения. Многие компьютеры того времени пытались избежать этой проблемы, используя только импульсную логику с AC-соединением, что делало их очень большими и чрезмерно сложными (ENIAC: 18 000 ламп для 20-разрядного калькулятора) или ненадежными. DC-соединение стало стандартом после появления первого поколения компьютеров на вакуумных лампах.

Modern differential amplifiers are usually implemented with a basic two transistor circuit called a “long tailed” pair or differential pair. This circuit was originally implemented using a pair of vacuum tubes. The circuit works the same way for all three terminal devices with current gain. The bias points of “long tail” resistor circuit are largely determined by Ohm's law and less so by active component characteristics. The long tailed pair was developed from earlier knowledge of push–pull circuit techniques and measurement bridges. An early circuit which closely resembles a long tailed pair was published by British neurophysiologist Bryan Matthews in 1934, and it seems likely that this was intended to be a true long tailed pair but was published with a drawing error. The earliest definite long tailed pair circuit appears in a patent submitted by Alan Blumlein in 1936. By the end of the 1930s the topology was well established and had been described by various authors, including Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) and Jan Friedrich Toennies (1938), and it was particularly used for detection and measurement of physiological impulses. The long tailed pair was very successfully used in early British computing, most notably the Pilot ACE model and descendants, Maurice Wilkes’ EDSAC, and probably others designed by people who worked with Blumlein or his peers. The long tailed pair has many favorable attributes if used as a switch: largely immune to tube (transistor) variations (of great importance when machines contained 1,000 tubes or more), high gain, gain stability, high input impedance, medium/low output impedance, good clipper (with a not too long tail), non inverting (EDSAC contained no inverters!) and large output voltage swings. One disadvantage is that the output voltage swing (typically ±10–20 V) was imposed upon a high DC voltage (200 V or so), requiring care in signal coupling, usually some form of wide band DC coupling. Many computers of this time tried to avoid this problem by using only AC coupled pulse logic, which made them very large and overly complex (ENIAC: 18,000 tubes for a 20 digit calculator) or unreliable. DC coupled circuitry became the norm after the first generation of vacuum tube computers.

Конфигурации

Дифференциальный усилитель (с длинным хвостом, с общим эмиттером) состоит из двух каскадов усиления с общей (эмиттерной, истоковой или катодной) вырождающей обратной связью.

Дифференциальная выходная мощность

С двумя входами и двумя выходами это формирует каскад дифференциального усилителя (рис. 2). Два база (или сетки, или затвора) служат входами, на которых происходит дифференциальное усиление (вычитание и умножение) сигнала транзисторной парой; к ним можно подать дифференциальный (сбалансированный) входной сигнал, либо один вход можно заземлить для создания схемы фазоинвертора. Усилитель с дифференциальным выходом может работать с нагрузкой, не имеющей общего провода, или с последующим каскадом, имеющим дифференциальный вход.

Одноконтактный выход

Если дифференциальный выход не требуется, можно использовать только один выход (взятый с одного из коллекторов (или анодов, или стоков), игнорируя другой; такая конфигурация называется односторонним выходом. Коэффициент усиления в этом случае будет вдвое меньше, чем у схемы с дифференциальным выходом. Чтобы избежать потери усиления, можно использовать преобразователь из дифференциального в односторонний. Обычно он реализуется в виде токового зеркала (рисунок 3 ниже).

Одноконтактный вход

Дифференциальная пара может использоваться в качестве усилителя с односторонним входом, если один из входов заземлен или фиксирован на опорное напряжение (обычно, другой коллектор используется в качестве одностороннего выхода). Такая схема может рассматриваться как последовательно соединенные каскады с общим коллектором и общим эмиттером, или как буферизованный каскад с общим эмиттером. Усилитель с эмиттерным повторителем компенсирует температурные сдвиги, напряжение VBE компенсируется, а эффект Миллера и насыщение транзисторов предотвращаются. Именно поэтому он используется для создания усилителей с эмиттерным повторителем (предотвращая эффект Миллера), фазоделительных схем (получая два инвертированных напряжения), логических элементов и переключателей ECL (предотвращая насыщение транзисторов) и т.д.

Операция

Для объяснения принципа работы схемы ниже рассмотрены четыре отдельных режима, хотя на практике некоторые из них могут действовать одновременно, и их эффекты суммируются.

Склонность

В отличие от классических каскадов усиления, смещенных со стороны базы (и, следовательно, сильно зависящих от β), дифференциальная пара смещается напрямую со стороны эмиттеров путем отвода/ввода общего тока покоя. Последовательная отрицательная обратная связь (дегенерация эмиттера) заставляет транзисторы работать как стабилизаторы напряжения, вынуждая их подстраивать напряжения VBE (базовые токи) для пропускания тока покоя через коллекторно-эмиттерные переходы. Таким образом, благодаря отрицательной обратной связи, ток покоя зависит от β транзистора лишь в незначительной степени. Базовые токи смещения, необходимые для установления тока покоя коллектора, обычно поступают из земли, проходят через входные источники и входят в базы. Поэтому источники должны быть гальванически соединены (по постоянному току), чтобы обеспечить пути для тока смещения и иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы не создавать существенных падений напряжения на них. В противном случае, между базами и землей (или положительным напряжением питания) необходимо подключить дополнительные постоянные элементы.

Общий режим

В общем виде (когда два входных напряжения изменяются в одном и том же направлении) два повторителя напряжения (эмиттера) работают согласованно, совместно воздействуя на общую высокоомную нагрузку эмиттера ("длинный хвост"). Вместе они увеличивают или уменьшают напряжение в общей точке эмиттера (образно говоря, они совместно "подтягивают" или "опускают" её, заставляя её перемещаться). Кроме того, динамическая нагрузка "помогает" им, изменяя своё мгновенное омическое сопротивление в том же направлении, что и входные напряжения (оно возрастает при увеличении напряжения и наоборот), тем самым поддерживая постоянное суммарное сопротивление между двумя шинами питания. Присутствует полная (100%) отрицательная обратная связь: два входных напряжения на базах и напряжение эмиттера изменяются одновременно, при этом токи коллекторов и общий ток остаются неизменными. Как следствие, напряжения на выходных коллекторах также не изменяются.

Дифференциальный режим

Нормально. В дифференциальном режиме (когда два входных напряжения изменяются в противоположных направлениях) два повторителя напряжения (эмиттера) работают в противофазе – один из них пытается увеличить напряжение общей точки эмиттера, а другой – уменьшить его (образно говоря, один как бы "подтягивает" общую точку вверх, а другой – вниз, удерживая её на месте) и наоборот. Таким образом, общая точка не изменяет своего напряжения; она ведёт себя как виртуальная земля, величина которой определяется входными напряжениями синфазного сигнала. Эмиттерный резистор с высоким сопротивлением не играет роли – он шунтируется другим повторителем с низким сопротивлением. Отрицательной обратной связи нет, поскольку напряжение эмиттера вообще не меняется при изменении входных напряжений на базе. Общий ток покоя активно перераспределяется между двумя транзисторами, и напряжения на выходных коллекторах резко изменяются. Два транзистора взаимно заземляют свои эмиттеры; таким образом, хотя они являются схемами с общим коллектором, на практике они работают как схемы с общим эмиттером с максимальным усилением. Стабильность и независимость от изменений параметров транзисторов можно повысить, введя отрицательную обратную связь через катодные/эмиттерные резисторы с относительно небольшим сопротивлением. Перегрузка. Если входное дифференциальное напряжение значительно изменяется (более чем примерно на сто милливольт), транзистор, управляемый более низким входным напряжением, закрывается, и его коллекторное напряжение достигает положительной шины питания. При сильной перегрузке p-n переход база-эмиттер входит в обратное смещение. Другой транзистор (управляемый более высоким входным напряжением) пропускает весь ток. Если резистор в цепи коллектора относительно большой, транзистор войдёт в насыщение. При относительно небольшом коллекторном резисторе и умеренной перегрузке эмиттер всё ещё может следовать за входным сигналом без насыщения. Этот режим используется в дифференциальных переключателях и логических элементах ECL. Пробой. Если входное напряжение продолжает возрастать и превышает напряжение пробоя p-n перехода база-эмиттер, происходит пробой этого перехода в транзисторе, управляемом более низким входным напряжением. Если источники входного сигнала имеют низкое сопротивление, через "диодный мост" между двумя источниками потечёт неограниченный ток, что может привести к их повреждению. В синфазном режиме напряжение эмиттера следует за изменениями входного напряжения; присутствует полная отрицательная обратная связь, и усиление минимально. В дифференциальном режиме напряжение эмиттера фиксировано (равно мгновенному синфазному входному напряжению); отрицательной обратной связи нет, и усиление максимально.

Normal. In differential mode (the two input voltages change in opposite directions), the two voltage (emitter) followers oppose each other—while one of them tries to increase the voltage of the common emitter point, the other tries to decrease it (figuratively speaking, one of them "pulls up" the common point while the other "pulls down" it so that it stays immovable) and vice versa. So, the common point does not change its voltage; it behaves like a virtual ground with a magnitude determined by the common mode input voltages. The high resistance emitter element does not play any role—it is shunted by the other low resistance emitter follower. There is no negative feedback, since the emitter voltage does not change at all when the input base voltages change. The common quiescent current vigorously steers between the two transistors and the output collector voltages vigorously change. The two transistors mutually ground their emitters; so, although they are common collector stages, they actually act as common emitter stages with maximum gain. Bias stability and independence from variations in device parameters can be improved by negative feedback introduced via cathode/emitter resistors with relatively small resistances. Overdriven. If the input differential voltage changes significantly (more than about a hundred millivolts), the transistor driven by the lower input voltage turns off and its collector voltage reaches the positive supply rail. At high overdrive the base emitter junction gets reversed. The other transistor (driven by the higher input voltage) drives all the current. If the resistor at the collector is relatively large, the transistor will saturate. With relatively small collector resistor and moderate overdrive, the emitter can still follow the input signal without saturation. This mode is used in differential switches and ECL gates. Breakdown. If the input voltage continues increasing and exceeds the base emitter breakdown voltage, the base emitter junction of the transistor driven by the lower input voltage breaks down. If the input sources are low resistive, an unlimited current will flow directly through the "diode bridge" between the two input sources and will damage them. In common mode, the emitter voltage follows the input voltage variations; there is a full negative feedback and the gain is minimum. In differential mode, the emitter voltage is fixed (equal to the instant common input voltage); there is no negative feedback and the gain is maximum.

Зеркало тока коллектора

Коллекторные резисторы могут быть заменены токовым зеркалом (верхний синий участок на рис. 3), выходная часть которого выполняет роль активной нагрузки. Таким образом, дифференциальный сигнал тока коллектора преобразуется в однополярный сигнал напряжения без присущих ему 50% потерь, что позволяет удвоить коэффициент усиления. Это достигается за счет копирования входного тока коллектора с левой стороны на правую, где амплитуды двух входных сигналов суммируются. Для этого вход токового зеркала подключается к левому выходу, а выход токового зеркала – к правому выходу дифференциального усилителя. Токовое зеркало копирует левый ток коллектора и передает его через правый транзистор, формируя правый ток коллектора. На этом правом выходе дифференциального усилителя происходит вычитание двух сигнальных токов (положительных и отрицательных изменений тока). В данном случае (при дифференциальном входном сигнале) они равны по величине, но противоположны по знаку. Следовательно, разность между ними в два раза больше величины каждого отдельного сигнала тока (ΔI − (−ΔI) = 2ΔI), и преобразование из дифференциального в однополярный завершается без потерь усиления. На рис. 4 представлена передаточная характеристика данной схемы.

Источник постоянного тока излучателя

Покойный ток должен быть постоянным для обеспечения стабильного напряжения коллектора в режиме общего вида. Это требование менее важно в случае дифференциального выхода, поскольку, хотя напряжения обоих коллекторов будут изменяться одновременно, их разность (выходное напряжение) останется неизменной. Однако в случае одностороннего выхода крайне важно поддерживать постоянный ток, так как напряжение выходного коллектора будет изменяться. Следовательно, чем выше сопротивление источника тока в исходной схеме на рис. 2, тем ниже (лучше) коэффициент усиления по синфазному сигналу. Необходимый постоянный ток можно получить, соединив элемент (резистор) с очень высоким сопротивлением между общим эмиттером и шиной питания (отрицательной для NPN и положительной для PNP транзисторов), но это требует высокого напряжения питания. Поэтому в более сложных схемах элемент с высоким дифференциальным (динамическим) сопротивлением, аппроксимирующий источник/поглотитель постоянного тока (внизу на рис. 3), заменяет "длинный хвост". Обычно он реализуется в виде токового зеркала из-за его высокого напряжения соответствия (малого падения напряжения на выходном транзисторе).

Плавающий источник входа

Можно соединить плавающий источник между двумя базами, но необходимо обеспечить пути для токов смещения баз. В случае гальванического источника достаточно подключить один резистор между одной из баз и землей. Ток смещения будет поступать непосредственно в эту базу и косвенно (через входной источник) в другую. Если источник емкостный, необходимо подключить два резистора между обеими базами и землей, чтобы обеспечить разные пути для токов баз.

Импеданс ввода/вывода

Входной импеданс дифференциальной пары сильно зависит от режима работы. В режиме синфазного сигнала обе части ведут себя как общие коллекторные каскады с высокими нагрузками на эмиттеры, поэтому входные импедансы чрезвычайно высоки. В режиме дифференциального сигнала они ведут себя как общие эмиттерные каскады с заземленными эмиттерами, поэтому входные импедансы низкие. Выходной импеданс дифференциальной пары высок (особенно для улучшенной дифференциальной пары с токовым зеркалом, как показано на рисунке 3).

диапазон ввода/вывода

Входное напряжение синфазного сигнала может изменяться между двумя шинами питания, но не может приближаться к ним вплотную, поскольку на выходных транзисторах двух токовых зеркал должно оставаться некоторое падение напряжения (минимум 1 вольт).

Операционный усилитель как дифференциальный усилитель

Операционный усилитель, или ОУ, — это дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления по дифференциальному сигналу, очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Дифференциальный усилитель на основе ОУ может быть построен с предсказуемым и стабильным коэффициентом усиления при использовании отрицательной обратной связи (рис. 5). Некоторые типы дифференциальных усилителей обычно состоят из нескольких более простых дифференциальных усилителей. Например, усилитель с полной дифференциацией, измерительный усилитель или усилитель гальванической развязки часто создаются на основе комбинации нескольких ОУ.

Приложения

Дифференциальные усилители применяются во многих схемах, использующих последовательную отрицательную обратную связь (последователь операционного усилителя, неинвертирующий усилитель и т.п.), где один вход используется для входного сигнала, а другой – для сигнала обратной связи (обычно реализуемой операционными усилителями). В отличие от них, старые инвертирующие односторонние операционные усилители начала 1940-х годов могли реализовать только параллельную отрицательную обратную связь, подключая дополнительные резистивные сети (наиболее распространенным примером является инвертирующий операционный усилитель). Типичное применение – управление двигателями или сервоприводами, а также усиление сигналов. В дискретной электронике распространенным способом реализации дифференциального усилителя является схема с длинным хвостом, которая также обычно используется в качестве дифференциального элемента в большинстве интегральных схем операционных усилителей. Схему с длинным хвостом можно использовать как аналоговый умножитель, подавая дифференциальное напряжение на один вход, а ток смещения – на другой. Дифференциальный усилитель применяется на входных каскадах логических элементов с эмиттерным повторителем, а также в качестве переключателя. При использовании в качестве переключателя, "левый" база/сетка используется для подачи входного сигнала, а "правая" база/сетка заземляется; выход снимается с правого коллектора/анода. Когда входной сигнал равен нулю или отрицателен, выход близок к нулю (но может быть не в насыщении); когда входной сигнал положителен, выход достигает максимального положительного значения, а динамический режим работы аналогичен режиму работы усилителя, описанному выше. Дифференциальный усилитель используется в катодном повторителе в генераторах. Преимуществами являются высокое входное и выходное сопротивление дифференциального усилителя и малая фазовая задержка между входом и выходом. В этом применении используется только один вход и один выход дифференциального усилителя.